工字形灌注桩模管及沉管变形控制对策

邹正盛，莫云波，孔清华，孔红斌

（1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454003；2.河南理工大学深部矿井建设开放实验室，河南 焦作 454003；3.浙江华展工程研究设计院，浙江 宁波 315012；4.浙江岩土基础公司，浙江 宁波 315011）

基坑工程中的支护桩承受着侧向土压力的作用，属于受弯构件。然而，目前工程实践中却以圆形截面桩为主，以钻孔灌注桩为主要桩型。承受侧向土压力的支护桩，截面均匀配筋时有45﹪的钢筋只发挥了很少的作用。从材料力学角度看，工字形截面明显优于圆形截面、矩形截面。由于深基坑中护坡桩受力复杂［1］，工字形截面护坡桩还会优于T形桩。异形桩由于截面几何性能的优势，力学性能往往较好，但其成桩难度较大。随着我国大量基础建设发展的需求，近些年来多种异形桩相继问世，如 X 形桩［2～3］、Y 型桩［4］、Y-H 复合型桩［5］、T 形桩［6～7］等等。在这些异形桩的沉管成桩过程中，曾出现过钢模管瘪管和涨管现象［8～9］。Y形桩模管通过加隔板提高模管的刚度来解决此问题［8］。从力学上看，工字形截面的模管抗变形性能要弱于X或Y形，因此，工字形截面灌注桩鲜见报道与应用。作者的团队在这方面所做的一些研究与尝试，经过多年对异形桩的研究、借鉴与实践，较好地解决了工字形灌注桩成桩技术。

1 工字形护坡桩的优势

以宁波某工程为例。该工程设地下室二层，基坑面积7700m2，基坑开挖深度8～10.6m，采用桩排内支撑体系。计算得内力Mmax=486.3(kN·m)、Mmin=－203.72(kN·m)。支护桩为φ700钻孔灌注桩@800，或600×800工字形截面桩@800。下面从材料用量对两者进行对比。

因支护桩的桩距、桩长相同，故可依据单桩工程进行对比。钻孔灌注桩因为圆形截面，不能显示配筋的方向性，故采用均匀配筋。按最大弯矩配筋，则其截面配筋量为6124mm2。工字形灌注桩截面配筋有明显的方向性，故采用按弯矩包络面积内的不对称配筋。计算得其截面总配筋量为3170mm2。显然，采用工字形600×800灌注桩可节省钢筋48.23%。

φ700钻孔灌注桩单桩截面积为0.385 m2，工字形600×800灌注桩截面积为0.315 m2，则采用工字形600×800灌注桩可节省混凝土18.2%。

显然，在我国深大基坑不断涌现的年代里，开发工字形桩成桩技术非常必要。这在国家倡导节能减排与低碳生活的时代里也颇具重要的现实意义。

2 工字形截面桩钢模管

2.1 全长工字形截面钢模管

圆形桩、矩形桩和目前的异形桩模管均设计成全长等截面，如X形模管截面为中空X形［3］，Y形模管截面为中空Y形［4］，T形模管截面为中空 T形［6］。受其影响，工字形桩钢模管加工成截面为中空工字形的全长等截面。按成桩工字形截面600mm×800mm考虑，工字形截面的腹板与翼缘厚度选用180mm，用12mm厚钢板焊接而成工字形桩模管，用此工字形截面的钢模管在某场地进行试成桩施工。采用挤土法成桩，施工很顺利(图1)。

图1 工字形钢模管(a)和工字形灌注桩(b)Fig.1 I-shaped casing(a)and I-shaped cast-in-place pile(b)

随后，选择正在挤土桩施工的场地进行试验性的成桩施工。将由预制桩靴封底的钢模管静压沉入土层18m，再置入钢筋笼。在浇灌混凝土过程中发现，模管内混凝土拒落。钢模管拔出地面后发现，模管截面产生很大的永久变形(图2)。腹板向内挠曲，管内空间缩小严重，混凝土拥堵不下落。

图2 工字形钢模管的变形Fig.2 Deformation of the I-shaped casing

分析认为，钢模管截面产生如此大的永久变形主要是由于施工挤土压力与挤土造成的超静孔隙水压力作用所致。据软土区沉桩孔压观测，初始超静孔隙水压力可达 30 ～100kPa，有的甚至超过 150kPa［10］。宁波沉管挤土桩施工实测初始超静孔隙水压力可达或超过土层上覆有效压力，沉桩施工所形成的塑性区半径约为10～15倍的桩径［11～13］。在塑性区半径范围内，土体超静孔隙水压力相近。按等效半径计算得工字形桩沉桩的塑性区半径为3.2～4.8m，此值已超出施工的桩间距很多。由于高的超静孔隙水压力的存在，模管周边一定范围的土体近“非压缩性”［10］，体积不发生变化。按饱和土固结理论，模管压入到这种体积不变的土体中时需排开土体，因此在压入之始模管会承受很大的侧压力。随着模管前端不断下沉，土体环境压力增大，初始超静孔隙水压力也增大，加上超静孔隙水压力的累加，模管所承受的侧压力将更大。由于模管不断压入，模管前端无疑始终处于这种综合高应力环境中。一旦模管产生了一定的变形，其抗变形能力就会急剧下降，最终导致模管产生永久变形。从工字形截面结构看，腹板长，而且垂直腹板方向正是挤土支护桩的挤土方向。因此，腹板首先向空心方向挠曲。翼板受力虽然略小一些，但在腹板变形的牵引下，自然形成凹向空心的弯曲。

试验表明，工字形截面钢模管不适宜挤土型工字形沉管灌注桩成桩。

2.2 矩形加翼呈工字形截面的钢模管

和工字形截面模管相比，矩形截面钢模管刚度有很大的提高。通过在模管底端局部加翼形成工形桩模管(图3)，即，在矩形模管底端4角焊接封闭的钢凸边，钢凸边高度以0.8m为宜，则这一小段模管截面为工字形包络面(图3中A-A剖面)，而其它段仍保留矩形截面(图3中B-B剖面)。显然，矩形加翼呈工字形截面的钢模管完全保留了矩形钢模管大刚度的优势。由于4个翼呈对称性布置，所以模管沉入时不会出现倾斜、偏心等施工问题。同时，封闭的凸边所占截面积和体积均小，模管沉入阻力基本上与全矩形截面模管相当。在浇灌混凝土时，由于管内混凝土的密度远超出了桩周软土，因此随着钢模管向上滑移，管内混凝土在拔管振动与砼自重作用下将迅速充填在土层内留出的空间，并得到密实，同时混凝土也能完全充填钢模管翼处所留出的空间，最终形成工字形截面沉管灌注桩。

图3 底端局部加翼钢模管Fig.3 Structure of casing with wings at bottom

通过底端加翼，有效地解决了工字形截面灌注桩的钢模管问题。挤土施工时，模管底部可加工成带活瓣桩尖的装置(图3)。也可以采用底部开口的模管，施工时采用预制钢筋混凝土桩靴封底。对于大尺寸的工字形桩，可以采用加翼开口矩形钢模管取土法施工。

此种类型的钢模管后在多个工程实践中经受了考验，取得了成功的应用。

3 成桩工艺

工字形灌注桩除了常规沉管灌注桩的方法外，若配合专用管内取土装置与方法，可组合成更多的方法。工字形灌注桩的施工方法，按驱动力分有静压沉管法和振动沉管法，按挤土与否分有挤土法和取土法，按取土方法分有提土器取土法和高频振动排土法。施工工艺流程如图4所示，各环节更详细的工艺技术可参见文献［14］，矩形模管内取土的工艺原理可参见文献［15］、［16］，在此不赘述。

图4 工字形灌注桩施工流程Fig.4 Construction program of I-shaped cast-in-place pile

4 沉管变形控制对策

虽然矩形钢模管的刚度较中空工字形模管高，而且进行了局部加强，但总体上要比X形和Y形弱些。中空工字形、X形和Y形模管在沉管过程中出现一些变形，甚至是破坏，警醒我们要加强沉管过程中钢模管的变形的控制，以保证桩的施工质量。

前已述及，软土区模管挤土沉入变形主要是由于挤土施工形成的土压力与超静孔隙水压力所致。因此，模管沉入变形的控制宜从挤土和超静孔隙水压力控制与防治着手。

(1)选择适当的桩施工间隔，控制沉桩挤土与超静孔隙水压力累加。基坑工程中支护桩围绕基坑沿周条线状布置，应重视邻桩挤土效应。据研究［11～13］，对于圆形沉管灌注桩，宁波软土沉桩施工所形成的塑性区半径为10～15倍的桩径，超静孔隙水压力影响半径为20倍的桩径。按等效桩径计算，工字形桩沉桩塑性区半径为2.8～4.1m。如果考虑基坑支护单排桩挤土的方向性，则塑性区半径为1.5～2.3m。在此之外，土体超静孔隙水压力衰减快，土体易压缩，挤土水平位移衰减也快。另一方面，加翼模管的4个翼在土中的移动轨迹为超静孔隙水压力消散创造了通道，降低了初始超静孔隙水压力，而且消散加快，有利于软土固结压缩。因此，沉桩引起的塑性区半径会进一步缩小。事实上，多个工程采用隔2打1(桩施工间距为2.4m)的方案所造成的挤土效应并不比常规的特别。

(2)静压沉管，避免高超静孔隙水压力产生。振动沉管采用高频振动作为驱动力。据土动力学研究，在连续振动作用下，土体中孔隙水压力会不断累加，软土可发生触变，饱和粉土粉细砂易产生液化。但是，采用静压沉管方法，超静孔隙水压力就会小很多，可以避免高超静孔隙水压力的产生与累加。超静孔隙水压力的大幅度降低，对于保护模管不变形大有好处。

(3)管内带砼沉入，后插筋成桩。中空结构体承受外压力是有限的，但如果在中空里作用有内压力，则可以减小其内外压差。以承受一定的压差来看，内压力大，则能承受的外压力也越大。桩砼一般是在置入钢筋笼后灌注的，但如果在模管内先适时适量地灌入砼，则可减小模管内外压差，保护模管不变形。先灌注了部分砼，会给钢筋笼的插入带来困难，但比较成熟的后插筋技术可以解决此问题。

(4)变换施工方法，避免高超静孔隙水压力的不利影响。模管沉入时，土体中初始超静孔隙水压力很大，加上超静孔隙水压力的累加，对模管构成威胁。但是，初始超静孔隙水压力下降很快，因此，如果让模管先实后空，通过时间差来避开高的超静孔隙水压力的不利影响。取土成桩法即是如此。取土成桩法是先将开口模管压入土中，此时模管非中空，模管可以承受很大的压力。在管内取土的这个时间里，很高的初始超静孔隙水压力快速下降到一个有限值，避免模管产生大变形。

5 结论

(1)全长等截面中空工字形模管因整体刚度小，施工中易受挤土压力和挤土引起的超静孔隙水压力影响，可发生大变形，不宜用于较长沉管灌注桩的施工。

(2)底部加翼的矩形截面钢模管的巧妙结构使其整体刚度远大于全长工字形截面模管，具抗变形能力强、所诱发的超静孔隙水压力低且消散快、沉入阻力与矩形钢模管相当等优点，成功实现了工字形沉管灌注桩的成桩。

(3)工字形桩抗弯性能高，可减少钢筋量，节省混凝土，降低成本。工字形桩系列施工工艺技术(方法)和沉管变形控制对策可成为成桩的保证，为大量推广应用奠定了坚实的基础。

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